丰田普锐斯混合动力汽车介绍

1 概述

1.1丰田混合动力汽车简介

PRILS（普锐斯）是日本丰田汽车于1997年所推出世界上第一个大规模生产的混合动力车辆车款，随后在2001年销往全世界40多个国家和地区，其最大的市场是日本和北美。美国是普锐斯最大的市场，至2009年年初为止，美国丰田总共卖了超过60万量，普锐斯是．目前为止世界上最成熟的油电混合动力轿车之一。

据美国环境保护署2007年的资料，普锐斯是在美国销售的汽车中最省油的。美国环境保护署和加州空气资源委员会根据二氧化碳排放量评价普锐斯是美国目前为止最干净的车辆。英国运输部公布普锐斯是在英国销售的车辆中最少二氧化碳排放的第二名。

第一代普锐斯如图1所示，于1997年12月出厂，型号为NHW 10。厂方只在日本内销，但是很多二手的普锐斯被出口到英国、澳大利亚和新西兰，市场上见到的不多。

此款车型为世界上第一辆大规模量产的汽油电动混合动力车。第一代普锐斯的生产成本高达32000美元，但是售价只为 16929美元，也就是每辆NHW10都是亏本出售。但这辆车意义重大：作为丰田推行减少空气污染和提高燃油效率的绿色汽车的探路者。此款车型定位于紧凑型。尺寸方面，长宽高分别为4275 mm、 1694 mm、 1491 mm，轴距为2550 mm。

动力方面，搭载一台1.5 L汽油发动机、永磁交流电动机和288伏镍金属氢化物（镍氢）电池组。汽油发动机提供的最大功率为58马力，最大扭矩为102 N·m。电动马达的峰值功率和扭矩分别为40马力和305 N·m。

2005年12月丰田汽车公司生产的普锐斯在长春下线，普锐斯混合动力先后经历了THS

（Toyota Hybeid System，含义为丰田混合动力系统）和THS-11两代系统，普锐斯的混合动力标识如图2所示。

丰田混合动力系统车辆可由汽油发动机来驱动，而无需对车辆进行充电。如果车辆的电池消耗了电量，发动机会驱动发电机，对电池充电。为了进一步提高车辆整体性能，普锐斯对发动机、MG1（1号发电机）、MG2（号发电机）以及蓄电池的控制系统都做了优化调整。

在普锐斯车型中，HV蓄电池可输入额定电压DC 201.6 V，减少了内部单电池，此外，变频器内部实现了增压到最大值DC 500 V，继而将此增压直流电在变频器内转变为交流电驱动MG1和MG2，普锐斯THS和THS-11的主要差别见表1。

1.2丰田普锐斯的技术特点

在丰田普锐斯混合动力汽车中应用了大量先进技术，如采用线控（by-wire）技术、全电动空调等。下面介绍普锐斯混合动力汽车的一些先进的技术。

1．艾金森（Atkinson）循环发动机

由于传统的OTTO循环发动机存在部分负荷燃油消耗率高、泵气损失、小膨胀比以及过浓的混合气等不利于节能的因素，因此，己经不能满足混合动力汽车的要求，需要研发与混合动力汽车相匹配的发动机。

丰田普锐斯汽车采用1.5 L汽油机，最大输出功率为57 kW。工作循环为具有高膨胀比的Atkinson循环，从而提高了发动机效率。Atkinson循环发动机是在传统OTTO循环发动机的基础上多了一个回流过程，包括进气、回流、压缩、膨胀和排气5个过程。在Atkinson循环中，将进气门开启的时间延长到压缩行程开始之后，使气缸中一部分混合气在活塞开始上升时被压回到进气管中，也就是延迟了实际压缩行程开始的时间，其结果是在没有提高实际的压缩比的情况下，却提高了膨胀比，提高了发动机的能量转换效率，这就使得THS（ToyotaHybrid Syst em）的燃料消耗率达到3.6 L/100 km的高水平。另外，进气门晚关使实际压缩比降低，所以缸

内燃烧温度降低，有利于改善NOx排放。Atkinson循环发动机剖视图如图3所示，高膨胀比原理图如图4所示。

2．线控（by-wire）技术

线控（by-wire）技术起源于航空工业，意思是某些操纵机构采用电子控制、电动执行，用来取代机械或液力控制。具有响应快、重量轻、占地小的特点。在普锐斯混合动力汽车上，节气门、制动、换挡杆、牵引力控制和车辆稳定性控制（VSC＋）都采用了线控技术，提高了操纵性。

3．电控无级变速器

普锐斯混合动力汽车实际上没有真正意义上的无级变速器（CVT），但普锐斯的变速理论与无级变速器的变速理论相同。普锐斯混合动力汽车的动力分配装置如图5所示，将发动机和电动机的力矩分配组驱动轮或发电机，通过选择性控制动力源（驱动电动机、发动机和发电机）的转速，模拟变速器传挡比的连续变化，工作起来像普通的无级变速器一样。

4．电动牵引力控制

如果防滑控制单元（ECU）检测到车轮打滑时，会立即切断电动机传到车轮的驱动力矩，而传统牵引力控制系统是切断来自发动机的动力。此外电控制动系统可采取制动。普锐斯混合动力汽车是世界上第一辆采用电动机施力的牵引力控制系统，各组成部件之间信息传递快，有效地提高了整车的主动安全性。

5．电子换挡杆

电子换挡杆安装在仪表盘上，比传统的换挡杆使用起来更加方便、灵活，甚至可以用指尖点动。换挡杆每次动作后，总是回到原来位置，换挡杆有照明灯，方便夜间使用，换挡杆有四个位置：N（空挡）、D（驱动）、R（倒挡）、B（发动机制动）。驻车开关安装在换挡杆的上方，与传统自动变速器手柄处于“P”位置的作用相同，如图6（a）所示，图6（b）为电子

换档杆内部原理图。

6．电子控制制动系统（ECB）

普锐斯混合动力汽车采用独特的电子控制制动系统如图7所示。踩动制动踏板会触动停车的控制电路，电控制动系统（ECB）迅速做出响应，可与其他主动安全系统（如VSC+）互相配合。ECB也用于提高再生制动系统的效率，将车辆制动时的动能回收。ECB具有备用电源，以防备车辆电源系统发生故障。

7．用户定制车身电器系统

普锐斯混合动力汽车支持用户根据自己的喜好定制42种不同的参数，定制工作可由经

销商按客户要求完成，定制的项目有：门锁遥控器、门锁、防盗系统、智能门控灯系统、空调和智能钥匙等。

8．智能驻车辅助系统

普锐斯混合动力汽车拥有功能强大的智能驻车辅助系统，能够按照预定的路线驻车在指定的地方，既可并排驻车又可前后排驻车，如图8所示。

9．全电动空调系统

传统空调系统的压缩机由发动机通过传动带驱动，而普锐斯混合动力汽车的空调压缩机由空调变频器驱动，普锐斯混合动力汽车空调系统不依靠发动机的运转，有下列优点：（1）即使在发动机熄火时，汽车空调也能发挥最大效率。

（2）空调系统与发动机的运转各自独立，空调的运转不降低汽车的行驶性能。

（3）电动水泵可以在发电机熄火时向加热器供热。

普锐斯混合动力汽车的电动压缩机采用紧凑型、高性能涡管式压缩机如图9所示，比传统的压缩机小40%，轻50%，可将压缩机直接安装到发动机上。

10．蓝牙免提电话系统

用户可以用复式显示器（如图10所示）的触摸屏或方向盘上的开关接通手机，也可把手机上的所有电话号码传输到多功能信息显示器上。蓝牙，是一种支持设备短距离通信（一般10m内）的无线电技术，工作频率为2.4GHz，其数据速率为1 Mbps（每秒兆字节）。使用本系统需要具备蓝牙功能的手机，蓝牙电话与有线电话传输过程比较如图11所示，通常允许注册四种手机，但每次只能使用一种手机。

11. LED停车灯

普锐斯混合动力汽车采用LED停车灯如图12所示，主要优点有：

（1）安全，LED元件比灯泡点亮的速度快10倍，LED为2.25 ms，灯泡为150～200 ms. （2）高效，LED比普通的灯泡省电。

（3）设计，LED小巧紧凑，便于布置。

12．智能钥匙与启动系统

本系统能携带钥匙开门／锁门或启动混合动力系统的启动操作。

普锐斯混合动力汽车采用具有双向通信功能的智能钥匙，在汽车周围一定范围内，智能钥匙系统的ECU能够判别是否存在智能钥匙，只要车主随身携带智能钥匙，即可不用钥匙也能开或锁车门；同样，只要随身携带钥匙，驾驶员可推动按钮启动车辆。

汽车的前门和后舱门装有振荡器、触摸传感器和天线。振荡器若接收到智能钥匙电脑的命令，会发射信号，检测汽车周围是否有智能钥匙，若有人接动触摸传感器（智能钥匙在探测范围内），则对应的车门锁会打开，若随身携带钥匙离开车，车主可以按下门手柄上锁开关将所有车门锁上。若在车内携带钥匙（如钥匙放在手提包内），只需按动仪表盘上的启动按钮就能启动汽车，如图13所示。

13．坡道起步辅助控制

坡道起步时，控制系统能够通过驱动电动机上的转速传感器，该传感器具有较高的灵敏度，可自动判断道路的坡度，防止汽车向下溜滑，若坡道很陡，系统会增大汽车启动力矩。

14．增强型车辆稳定控制系统（VSC+）

增强型车辆稳定控制系统（VSC+）将车辆稳定控制系统与电动助力转向（EPS）组合在一起，可在发生意外情况时提供一定量的辅助转向力矩（转向助力），帮助驾驶员更快地转动方向盘，而在前轮打滑时转向，EPS提供较小的转向助力，防止过度转向。

2 丰田混合动力系统

2．1系统组成

1．系统概述

丰田混合动力汽车的动力中枢是丰田混合动力系统（Toyotahybrid System，THS），它使用汽油机和电动机两种动力，通过串联与并联相结合的方式进行工作，达到了低排放的效果，如图14所示。新一代普锐斯装备了丰田公司开发的THS-11型油电混合动力系统，该系统将汽油发动机与电动机组合，在保证燃油经济性和环保性能的前提下，也实现了动力性，并具有舒畅的驾驶乐趣和良好的静谧性。

丰田混合动力系统的主要部件在车上的位置如图15、图16所示。

1）HV变速驱动桥

丰田普锐斯混合动力车辆（HV）变速驱动桥由发电机（MG1）、电动机（MG2 ）和行星齿

轮组组成。

（1）发电机（MG1）通过发动机带动其旋转产生高压电，以驱动电动机（MG2 ）或为HV 蓄电池充电。同时，它还可以作为启动机启动发动机。

（2）电动机（MG2 ）由发电机（MGl ）或HV蓄电池的电能驱动，产生动力，驱动车辆行驶。制动期间或制动踏板未被踩下时，它产生电能为HB蓄电池再次充电（再生制动控制）。

（3）行星齿轮组通过组合，以最佳的比例分配发动机驱动力来直接驱动车辆和发电机。

2）HV蓄电池

在起步、加速和上坡时，将电能提供给电动／发电机。

3）变频器总成

此设备用于将高压直流电（DC）（HV蓄电池）转换为交流电（AC）[发电机（MG1）和电动机（MG2）]，反之亦然（AC转为DC）。包括增压转换器、DC/DC转换器和空调变频器。

（1）增压转换器将HV蓄电池的最高电压从DC 201.6 V升压到DC 500 V，反之亦然（从

DC 500 V降压DC 201.6 V）。

（2）DC/DC转换器将最高电压从DC 201.6 V降压转换为DC 12 V，为车身电气组件供电以

及为备用蓄电池再次充电（DC 12 V）。

（3）空调变频器将HV蓄电池的额定电压DC 201.6 V转换为AC 201.6 V，为空调系统中的

电动变频压缩机供电。

4）HV ECU

接收每个传感器及ECU（发动机ECU、蓄电池ECU、制动防滑控制ECU和EPS ECU）的信息进行处理，根据这些信息计算所需的转矩和输出功率，并将计算结果发送给发动机ECU、变频器总成、蓄电池ECU和制动防滑控制ECU。

5）发动机ECU

根据接收的来自HV ECU的发动机目标转速和所需的发动机动力信息，启动ETCS-i智能电

子节气门控制系统）。

6）蓄电池ECU

监控HV蓄电池的充放电状态。

7）制动防滑控制ECU

控制电动／发电机产生的再生制动并控制液压制动，使总制动力等于仅配备液压制动的传统车辆。同样，制动防滑控制$CU照常进行制动系统控制（带EBD的ABS，制动辅助和VSC+）。

8）加速踏板位置传感器

将加速踏板角度转换为电信号并输出到HV ECU。

9）档位传感器

将挡位转换为电信号并输出到HV ECU。

10）SMR（系统主继电器）

用来自HV ECU的信号连接或断开蓄电池和变频器总成间的高压电路。

11）互锁开关（用于变频器盖和检修塞）

确认变频器盖和检修塞均已安装到位。

12）断路器传感器

如果检测到车辆发生碰撞，立即切断高压电路。

13）检修塞

在检查或维修车辆时，要拆下此塞，以关闭HV蓄电池高压电路。

2．各组件位置

混合动力系统主要部件在车身上的布置如图15所示，在发动机舱中的元件布置如图16所示，在驾驶室内的部件位置如图17所示，HV电池上的部件布置如图18所示。

3．控制电路

控制电路如图19所示。

4．主要部件介绍

1）MG1和MG2

（1）功用。

MG1（1号发动机／发电机）和MG2（2号发动机／发电机）均为高效的交流永磁铁同步型电动机。在必要时，这些发电机作为辅助动力源为发动机提供辅助动力，使车辆达到优秀的动态性能，其中包括平稳地起步和加速，启动再生制动后，MG2将车辆动力转换为电能并储存在HV蓄电池中，MG1为HV蓄电池重新充电并为MG2供电，此外，通过改变发电机的转速调

节发电量，MG1有效地控制变速驱动桥的连续可变变速器的功能。MG1同样作为启动机启动发动机。系统新增添了配备有水泵的MG1和MG2冷却系统，如图20所示，丰田新旧车型中MG 1、MG2的规格变化见表2、表3。

系统图如图21所示。

（2）永磁铁电动机。

如图22所示，三相交流电经过定子线圈的三相绕组时，电动机内产生旋转磁场。通过以转子的旋转位置和转速控制旋转磁场，使转子中的永磁铁受到旋转磁场的吸引产生扭矩，产生的扭矩可用于电流相匹配的所有用途，通过改变交流电的频率可以控制电动机的转速。此外，通过对旋转磁场和转子磁铁的角度做适当地调整可以产生较大的扭矩和较高的转速。

在THS-II系统中，MG1更加强劲的转子使可输出的最大转速范围从6500 r/min提升到10000 r/min，使充电能力得到了提高。通过优化结构，MG2转子内的永磁铁变为V型结构，使扭矩

和输出功率增大，功率输出比旧款普锐斯提高了50%，在现有的低速和高速控制方法基础上，在MG2的中速范围内采用了新研制的调控系统。通过改进脉冲宽率调谐方法，中速范围内的输出功率提高了约30%。

（3）转速传感器／解角传感器。

该传感器结构紧凑、并具有很高的稳定性，可精确地检测到磁极位置，对有效控制MG1和MG2起到了非常重要的作用。

如图23所示，传感器的定子包含3个线圈，输出线圈B和线圈C相位差90°。由于转子是椭圆的，定子和转子间的距离随转子的旋转发生变化。这样，交流电通过线圈A后，与传感器转子位置相对应的信号由线圈B和C产生。然后，从这些信号的差异中可检测到其绝对位置，此外，在单位时间内的位置变化量由HV ECU计算，使这个传感器起到转速传感器的作用。

2）变频器总成

（1）功用。

变频器总成安装在发动机舱内，如图24所示，其实物如图25所示。

HV蓄电池的高压直流电由变频器转换为三相交流电来驱动MG I和MG2，功率晶体管的启动由HV ECU控制。此外变频器将用于电流控制（如输出电流或电压）的信息传输到HV ECU。变频器总成作用示意图如图26所示。变频器和MG 1、MG2一起，由与发动机冷却系统分离的

专用散热器冷却。变频器总成中采用了增压转换器，可将HB蓄电池DC 201.6 V的额定电压升压到DC 500 V。电压提升后，变频器将直流电转换为交流电。MG 1、MG2桥电路（每个包含6个功率晶体管）和信号处理／保护功能处理器己集成在IPM（智能动力模块）中以提高车辆性能。变频器总成中的空调变频器为空调系统中的电动变频压缩机供电，变频器散热器和发动机散热器集成为一体，更加合理地利用了发动机舱内的空间。变频器总成结构如图27、图28。